CN115932686A - 一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可用于现场快速检测的核磁共振装置及方法。该发明涉及为一种简洁、便携、易操作的的核磁共振装置，通过对核心探头部件的设计，可为不同现场应用场景提供快速分析和无损检测装备。提出新的快速测量弛豫分析方法，通过对该技术采集数据进行相应数据处理，可快速分析得到检测样品的内部结构、微孔特性、饱含流体赋存状况等重要信息，因此该技术在在线生物医学、化学工程、地质现场勘探等领域有重要的应用价值。

Description

一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置及方法

技术领域

本发明涉及核磁共振领域，尤其涉及一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置及方法。

背景技术

核磁共振成像技术作为一种先进的无损探测手段，在医学、生物、能源、材料、农林、食品、安全监测、化工等多个领域均有着极为广泛的应用。目前对独立于室内测试分析的，在现场原位测试的核磁共振成像设备及相关测试方法需求急迫。现场原位实现核磁共振成像测量首先要求设备具备漏磁较小、便携等安全特征。同时，室内核磁共振成像设备含有占地面积较大的、昂贵的梯度系统和水冷系统，不利于现场检测工作的开展。因此为了最大程度保证现场检测的灵活性，现场核磁共振成像设备需尽可能兼容简洁轻便的梯度系统。

适用于现场核磁共振检测的测量方法同样重要。以纵向弛豫时间T1参数为例，由于检测对象中不同类型组分的纵向弛豫时间差异，核磁共振T1成像技术可为生物组织原位探测病变机理提供最直接有效的证据，因此是一种常规的核磁共振加权成像方法。本发明也同步提出了一种可基于现场快速检测核磁共振成像装置的弛豫测量方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述问题，而提出的一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置，包括磁体，磁体部分由主磁体单元和附加磁体单元组成，主磁体系统采用横截面为特定形状的(以六边形为例)的稀土永磁体磁块，轴向上组成多个磁体排列，每个磁体排列由特定数量的永磁体(以16块为例)在横截面上环绕圆周方向组成，构成一个中空圆柱状永磁体装置，该磁体装置在中间部位的静磁场为均匀场，为了实现成像编码功能，本发明装置在主磁体单元的基础上加载了附加磁体单元，附加磁体单元由两对相反极化方向的磁体排列沿着轴向方向组成，进而在中间磁体腔内形成一个沿轴向方向的附加磁场，该附加磁场梯度为G，通过施加对应脉冲序列，从而实现核磁共振弛豫成像测量。

同步地，本发明专利提出一种新型快速核磁共振T1成像方法，所述方法具体包括：

步骤1、在GRD通道上，由于附加磁场单元的存在，会沿着z方向形成一个特定磁场梯度G的附加磁场；

步骤2、在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲将宏观磁化强度矢量M₀扳转至横向平面；

步骤3、等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加180°射频脉冲，重聚散相后的横向平面磁化强度矢量；

步骤4、再次等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲，将重聚后的横向平面磁化强度矢量扳转90°至纵向轴向上；

优选的，所述纵向轴向与静磁场方向一致；

步骤5、接下来在TRS通道上继续施加一小角度α射频脉冲，之后在GRD通道上经历频率编码的梯度磁场；

优选的，所述频率编码梯度脉冲高度固定为G；

步骤6、在TRS通道上重复施加180°射频脉冲，一定时间之后在ACQ通道采集到一个完整离散的自旋回波信号；在开始采集所述自旋回波信号时，先在GRD通道上施加频率解码梯度脉冲；所述频率解码梯度脉冲与所述步骤5中的所述频率编码梯度脉冲幅度相同；

步骤7、在TRS通道上再次施加一个180°射频脉冲，将残留在纵向方向上的磁化强度矢量进行翻转；

步骤8、从所述步骤5中在TRS通道上施加一小角度α射频脉冲开始至GRD通道上施加的最后一个恒定幅度的梯度为止，整个时序持续时间为Δ；持续循环所述时序N次，在ACQ通道中最终将采集得到N个自旋回波信号；得到回波串信号M(k，NΔ)，k为定义的波函数；对采集到的所述回波串信号M(k，NΔ)进行核磁共振数据处理，可得到快速核磁共振一维T₁成像结果。

拓展地，本发明专利提出一种新型快速核磁共振T1-T2关联成像方法，所述方法具体包括：

步骤1、在GRD通道上，由于附加磁场单元的存在，会沿着z方向形成一个特定磁场梯度G的附加磁场；

步骤2、在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲将宏观磁化强度矢量M₀扳转至横向平面；

步骤3、等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加180°射频脉冲，重聚散相后的横向平面磁化强度矢量；

步骤4、再次等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲，将重聚后的横向平面磁化强度矢量扳转90°至纵向轴向上；

优选的，所述纵向轴向与静磁场方向一致；

步骤5、接下来在TRS通道上继续施加一小角度α射频脉冲，之后在GRD通道上经历频率编码的梯度磁场；

优选的，所述频率编码梯度脉冲高度固定为G；

步骤6、在TRS通道上重复施加180°射频脉冲，一定时间之后在ACQ通道采集到一个完整离散的自旋回波信号；在开始采集所述自旋回波信号时，先在GRD通道上施加频率解码梯度脉冲；所述频率解码梯度脉冲与所述步骤5中的所述频率编码梯度脉冲幅度相同；

步骤7、在TRS通道上再次施加一个180°射频脉冲，将残留在纵向方向上的磁化强度矢量进行翻转；

步骤8、从所述步骤5中在TRS通道上施加一小角度α射频脉冲开始至GRD通道上施加的最后一个恒定幅度的梯度为止，整个时序持续时间为Δ；持续循环所述时序N次，在ACQ通道中最终将采集得到N个自旋回波信号；

步骤9、改变所述步骤3和4中等待时间τ的长短，进而编辑横向弛豫时间T2；持续循环所述时序P次，在ACQ通道中最终将采集得到P*N个自旋回波信号；得到回波串信号M(k，NΔ，Pτ)，k为定义的波函数；对采集到的所述回波串信号M(k，NΔ，Pτ)进行核磁共振数据处理，可得到快速核磁共振T1-T2关联成像结果。

稍后地，所述核磁共振数据处理的具体步骤为：

首先对该数据进行Fourier变换，在成像维度上对数据进行解编；对得到的解编数据进行Inverse Laplace反演，得到T1成像或T1-T2关联成像结果。

有益效果：

1、整个磁体系统可以由小的、重量轻的，价格便宜的永磁体组装而成。

2、磁体系统采用的永磁体块横截面磁体极化方向与磁体块表面垂直，便于加工、固定与安装。

3、磁体结构的漏磁场微弱，对附近电机以及其他的铁磁部件的工作影响较小，利于现场核磁共振分析测量的安全要求。

4、主磁体系统可以产生一个强度足够大的磁场，用于核磁共振分析实验与理论研究。

5、附加磁体系统可为整体设备直接提供一个用于成像编码的梯度环境，该设计可保证发明成像设备不再需要庞大昂贵的梯度放大器和水冷系统，且该梯度的幅度可根据实际成像需求通过调整附加磁体系统的物理属性进行改变，大大便捷了整体设备在现场检测的实用性和适应性。

6、该核磁共振分析仪独特的结构设计使得被测样品的长度不再受到限制，另外，还可对样品进行运动扫描测量，加快测量速度，节省测量时间，最终在微观和宏观上实现对样品的评价和描述。

本发明设计的弛豫成像方法从量子力学角度出发，通过阐述基本理论，在脉冲序列的不同时间段内对相应的脉冲进行合理排布和优化，进而可大大缩短核磁共振成像技术的操作时间，为核磁共振成像技术在多种潜在应用领域中提供快速方案。

附图说明

图1为本发明实施例的磁体系统坐标轴定义及主磁体单元单层磁体排列示意图；

图2为本发明实施例的主磁体单元轴向剖面磁体极化及磁场分布示意图；

图3为本发明实施例的全磁体单元轴向剖面磁体极化及磁场分布示意图；

图4为本发明实施例的新型核磁共振T₁成像脉冲序列；

图5为本发明实施例的新型核磁共振T₁-T₂成像脉冲序列；

图6为实际数据及结果重构流程图。

图7为T₁成像结果示例。

图8为T₁-T₂成像结果示例。

图中：TRS为核磁共振系统的脉冲发射通道，GRD为梯度脉冲发射通道，ACQ为核磁共振系统的信号接受通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

首先对本发明中涉及的相关技术术语的定义及其物理意义做如下介绍：

静磁场B₀：静磁场由磁体提供，决定核磁共振信号的信噪比，被测样品置于静磁场中，自旋系统内发生能级分裂，沿着静磁场方向会产生一个宏观磁化矢量M₀，M₀由静磁场强度B₀，温度等参数决定，磁体材料通常有永磁体和超导体两种，永磁体基本用于低场核磁共振测量；超导体通常用于医学成像和实验室内高场仪器化学谱分析中，需要使用液氦和液氮保持磁体温度恒定。

射频磁场B₁与脉冲：射频脉冲为电磁信号，通常由线圈产生，射频脉冲产生的磁场为射频磁场，射频磁场的方向与静磁场方向垂直，实现对在静磁场中形成的磁化矢量的扳转操作，扳转角度为：θ＝γB₁t_p，其中，γ为质子的磁旋比，B₁为射频磁场强度，t_p为射频脉冲的持续时间，因此可通过控制射频脉冲的幅值或持续时间达到改变扳转角的目的，核磁共振脉冲序列由不同数量和频率属性的射频脉冲按照设定时序组成，通过调整脉冲间时间间隔，脉冲角度及脉冲的频率选择性，实现对自旋系统的弛豫、扩散等测量。

磁场梯度与成像：脉冲磁场梯度由梯度线圈产生，通常在施加过程中考虑脉冲梯度线圈与射频线圈的涡流效应，注意屏蔽效果，通过空间磁场强度与梯度值之间的关系，可对被测样品进行相应的空间相位、频率和选层编码，实现不同维度上的空间成像，对于空间位置的某一方向，以z为例，通过在该方向上施加一幅度为G的梯度脉冲后，不同空间位置的质子Larmor频率为：

ω(z)＝γB₀+γGz

其中，γ为质子的磁旋比，因此，采集得到的回波信号M(k)与空间所求的成像质子密度ε(z)之间的相互关系为：

M(k)＝∫ε(z)e^i2πkzdz

ε(z)＝∫M(k)e^-i2πkzdk

其中，k为定义的波函数，与梯度脉冲的参数有关，当系统采用频率编码模式进行成像实验时，k＝γg_maxδ/2π，由上述公式可知，M(k)与ε(z)为Fourier变换对，因此对采集得到的回波信号进行Fourier变换即可得到成像结果。

自旋回波：自旋回波为核磁共振测量最常见的一种信号，首先对被测样品施加90°脉冲，将磁化矢量M₀扳转至垂直于静磁场方向的横向平面上，由于分子的扩散及静磁场的空间非均匀性等原因，磁化矢量M₀发生散相，这一段时间如果打开信号采集通道对信号进行采集，得到自由衰减信号，经历一定时间τ之后，施加180°脉冲，散相后的磁化矢量会在同等时间τ之后实现重聚，形成一个回波信号，该回波信号称之为自旋回波信号，自旋回波在核磁共振应用中主要有以下三个方面：(1)通过施加一连串的180°脉冲，反复形成自旋回波，记录回波串信号，此脉冲序列为CPMG脉冲序列，该信号对于研究孔隙介质的横向弛豫特性极为重要，在一定条件下可以得到孔隙尺寸相关信息；(2)在梯度磁场下通过改变梯度幅值或梯度持续时间，记录自旋回波幅值的变化，可以得到流体分子的自扩散系数；(3)通过施加成对的频率编码或相位编码梯度，解析被测样品的空间自旋密度信息，实现核磁共振成像。

弛豫：自旋系统从共振状态恢复至热平衡状态的过程，该过程在不同方向上由纵向弛豫时间T₁或横向弛豫时间T₂表征，T₁又称为自旋-晶格弛豫时间，反映自旋系统与外部环境的能量交换，T₂又称为自旋-自旋弛豫时间，反映自旋系统内部能量损耗，自旋系统弛豫过程可由Bloch方程进行描述，纵向弛豫时间T₁可采用饱和恢复脉冲序列进行测量，通过改变两个脉冲之间的时间间隔T_W，记录信号幅值，反映纵向磁化矢量在不同编辑时间下的演化过程：

以上方法所需时间较长。每一步T_W下都需要质子自旋系统等待较长时间并达到热平衡状态下才能进行下一步实验，因此采集过程极慢。

本发明的T₁成像技术基于一种快速T₁测量方法，采用的是小角度α射频脉冲串采集得到最终测量结果，通过施加这一串含有N个小角度射频脉冲的脉冲串，其被测样品本身自旋系统磁化矢量的分量可表述为：

采用相关适应的射频脉冲相位循环并对采集信号幅度，可得到每一个小角度α射频脉冲下的磁化矢量为：

其中，N为小角度射频脉冲的个数，Δ为相邻两个小角度脉冲之间的时间间隔。相对于常规的T₁测量方法，由于对纵向磁化矢量只进行一次操作，因此上述方法能够在较短时间内完成T₁测量。

弛豫成像。在实际测量应用中发现，仅仅得到被测样品的质子密度信息，即成像，对于分析样品的微观信息是远远不够的。因此，如果能够将弛豫信息的获得与成像技术结合可完美的实现对被测样品宏观和微观的观测。

不同生物组织或样本间的纵向弛豫时间T₁差异相对明显，因此通常被选为加权信息与成像技术结合。如果采用常规的T₁测量方法与成像结合，实际测量时间相较较长，不利于快速动态观测样品本身信息。因此在本发明中将快速纵向弛豫时间T₁测量方法与相关成像技术融合，在优化调整相关参数的步骤下，给出快速纵向弛豫时间T₁成像技术的可行方案。

根据测量被测样品纵向弛豫时间T₁和空间梯度编码的相互关系，设计如图4所示的快速核磁共振一维T₁成像脉冲序列，通过采集信号可得以下响应公式：

M(k_Z，NΔ)＝∫∫F(z，T₁)·K₁·K₂dzdT₁

其中两个核函数K₁,K₂的具体形式为：

K₁＝exp(i2πk_Zz

本发明所示的频率编码模式，k_z＝γGΔ/π。采用后续数据反演步骤对所得数据进行处理，得到被测样品的一维T₁成像结果。

根据测量被测样品纵向弛豫时间T₁，横向弛豫时间T₂和空间梯度编码的相互关系，设计如图5所示的快速核磁共振T₁-T₂关联成像脉冲序列，通过采集信号可得以下响应公式：

M(k_z，NΔ，Pτ)＝∫∫F(z，T₁，T₂)·K₁·k₂·K₃dzdT₁dT₂

其中三个核函数K₁,K₂,K₃的具体形式为：

K₁＝exp(i2πk_zz)

本发明所示的频率编码模式，k_z＝γGΔ/π。采用后续数据反演步骤对所得数据进行处理，得到被测样品的T₁-T₂关联成像结果。

由于本申请所叙述成像方法采集得到的数据与常规方法不尽相同，需要在实际数据处理过程中特殊注意。本发明针对给出了一种对应的快速核磁共振T₁成像技术的数据处理方法。

一种对核磁共振数据采集系统采集得到的数据进行数据处理的方法，具体如下。

步骤1：判断采集得到的核磁共振数据M的维度。

步骤2：如果M为二维数据，可判定最终结果为一维成像结果。首先对该数据进行Fourier变换，在成像维度上对数据进行解编。对得到的解编数据进行一维InverseLaplace反演，得到最终不同空间位置处的T₁分布，即视为T₁成像。Fourier变换为线性变换，为非病态问题，因此此处不再赘述。由于Inverse Laplace反演为病态问题，因此本处对Inverse Laplace变换进行简述。此处将引入正则化项对此数据矩阵进行反演。为了得到稳定准确的解F，通常采用Tikhonov正则化方法，引入平滑项来求解该问题：

其中，s是正则化因子，与采集数据的信噪比相关，||·||项代表矩阵的Frobenius范数。引入的正则化项决定求解结果的稳定性与准确性。正则化因子选取过大，尽管求解得到的分布越稳定，但是解的准确性越差，即所谓的过平滑；正则化因子选取过小，解的求取越准确，但是解的稳定性降低，出现的伪信号越多，即欠平滑。因此，综合考虑解的真实性和解的稳定性，使用合理的正则化因子，是该方法的重点。通过非负约束步骤可以得到特定正则化因子s下的非负约束解F。

步骤3：如果M为三维数据，可判定最终结果可能为二维成像结果。首先对该数据进行Fourier变换，在成像维度上对数据进行解编。对得到的解编数据进行二维InverseLaplace反演，得到最终不同空间位置处的T₁-T₂分布，即视为T₁-T₂关联成像结果以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置，包括磁体，其特征在于，磁体部分由主磁体单元和附加磁体单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置，其特征在于，主磁体系统采用横截面为特定形状的稀土永磁体磁块，轴向上组成多个磁体排列，每个磁体排列由特定数量的永磁体在横截面上环绕圆周方向组成，构成一个中空圆柱状永磁体装置，该磁体装置在中间部位的静磁场为均匀场。

3.根据权利要求1所述的一种可用于现场快速检测的核磁共振成像装置，其特征在于，在主磁体单元的基础上加载附加磁体单元，附加磁体单元由两对相反极化方向的磁体排列沿着轴向方向组成，进而在中间磁体腔内形成一个沿轴向方向的附加磁场，该附加磁场梯度为G。

4.一种可用于快速的核磁共振一维T1成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在GRD通道上，由于附加磁场单元的存在，会沿着z方向形成一个特定磁场梯度G的附加磁场；

步骤2、在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲将宏观磁化强度矢量M₀扳转至横向平面；

步骤3、等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加180°射频脉冲，重聚散相后的横向平面磁化强度矢量；

步骤4、再次等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲，将重聚后的横向平面磁化强度矢量扳转90°至纵向轴向上，所述纵向轴向与静磁场方向一致；

步骤5、接下来在TRS通道上继续施加一小角度α射频脉冲，之后在GRD通道上经历频率编码的梯度磁场，所述频率编码梯度脉冲高度固定为G；

步骤6、在TRS通道上重复施加180°射频脉冲，一定时间之后在ACQ通道采集到一个完整离散的自旋回波信号，在开始采集所述自旋回波信号时，先在GRD通道上施加频率解码梯度脉冲，所述频率解码梯度脉冲与所述步骤5中的所述频率编码梯度脉冲幅度相同；

步骤7、在TRS通道上再次施加一个180°射频脉冲，将残留在纵向方向上的磁化强度矢量进行翻转；

步骤8、从所述步骤5中在TRS通道上施加一小角度α射频脉冲开始至GRD通道上施加的最后一个恒定幅度的梯度为止，整个时序持续时间为Δ；持续循环所述时序N次，在ACQ通道中最终将采集得到N个自旋回波信号；得到回波串信号M(k，NΔ)，k为定义的波函数；对采集到的所述回波串信号M(k，NΔ)进行核磁共振数据处理，可得到快速核磁共振一维T₁成像结果。

5.一种可用于快速的核磁共振T1-T2关联成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在GRD通道上，由于附加磁场单元的存在，会沿着z方向形成一个特定磁场梯度G的附加磁场；

步骤2、在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲将宏观磁化强度矢量M₀扳转至横向平面；

步骤3、等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品的含氢质子自旋系统施加180°射频脉冲，重聚散相后的横向平面磁化强度矢量；

步骤4、再次等待极短时间τ后，在TRS通道上向被测样品含氢质子自旋系统施加90°射频脉冲，将重聚后的横向平面磁化强度矢量扳转90°至纵向轴向上，所述纵向轴向与静磁场方向一致；

步骤5、接下来在TRS通道上继续施加一小角度α射频脉冲，之后在GRD通道上经历频率编码的梯度磁场，所述频率编码梯度脉冲高度固定为G；

步骤6、在TRS通道上重复施加180°射频脉冲，一定时间之后在ACQ通道采集到一个完整离散的自旋回波信号；在开始采集所述自旋回波信号时，先在GRD通道上施加频率解码梯度脉冲；所述频率解码梯度脉冲与所述步骤5中的所述频率编码梯度脉冲幅度相同；

步骤7、在TRS通道上再次施加一个180°射频脉冲，将残留在纵向方向上的磁化强度矢量进行翻转；

步骤8、从所述步骤5中在TRS通道上施加一小角度α射频脉冲开始至GRD通道上施加的最后一个恒定幅度的梯度为止，整个时序持续时间为Δ；持续循环所述时序N次，在ACQ通道中最终将采集得到N个自旋回波信号；

步骤9、改变所述步骤3和4中等待时间τ的长短，进而编辑横向弛豫时间T2；持续循环所述时序P次，在ACQ通道中最终将采集得到P*N个自旋回波信号；得到回波串信号M(k,NΔ，Pτ)，k为定义的波函数；对采集到的所述回波串信号M(k，NΔ，Pτ)进行核磁共振数据处理，可得到快速核磁共振T1-T2关联成像结果。

6.根据权利要求4所述的一种可用于快速的核磁共振一维T1成像方法，其特征在于，所述步骤8中的核磁共振数据处理方法为：

步骤8.1、对M(k，NΔ)进行Fourier变换，在成像维度上对数据进行解编；

步骤8.2、对得到的解编数据进行一维Inverse Laplace反演，得到最终不同空间位置处的T1分布，即视为T1成像。

7.根据权利要求5所述的一种可用于快速的核磁共振T1-T2关联成像方法，其特征在于，所述步骤9中的核磁共振数据处理方法为：

步骤9.1、对M(k，NΔ，Pτ))进行Fourier变换，在成像维度上对数据进行解编；

步骤9.2、对得到的解编数据进行二维Inverse Laplace反演，得到最终不同空间位置处的T1-T2关联分布，即视为T1-T2关联成像结果。

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